泄水建筑物掺气坎底空腔回水探讨

该文主要采用数值模拟的方法,对明流泄洪洞掺气坎底空腔回水问题进行了探讨.通过对连续坎及三维异型掺气坎(U型、V型和凸型掺气坎)后落水区形态,水舌三维流态以及落水区流场结构等水力特性进行分析发现:当水流经过掺气坎后,中间水流较为集中时,主流方向的能量较大,不利于水流在底部落水区域的充分扩散;水流出坎后横向扩散的方向对抑止空腔内回水壅堵较为敏感,掺气坎后水舌向两侧扩散的水流与边壁的相互作用容易产生回水.结合掺气坎后水流的细部结构得出,影响掺气坎后空腔回水的主要因素为:出坎水舌落水区的纵向分布范围与横向分布范围的关系以及水舌入水角度.     

泄洪洞反弧末端掺气减蚀研究

对高水头、大单宽流量、低佛氏数、小底坡长明流泄洪洞，在反弧段末端采用常规的掺气坎往往难以取得理想的掺气效果，同时，反弧段下游边墙易出现空蚀破坏。本文在大比尺模型试验的基础上，提出了竖向、纵向及横向三维均连续变化的新型掺气坎，并对比分析了掺气坎三维体型的变化对掺气特性的影响。试验表明，空间三维连续变动的V型坎能使挑射水流形成连续变化的空腔长度，较二维掺气坎在上述特点的泄洪洞中能形成稳定的空腔形态、减小空腔回水并提高挟气量。试验同时表明，泄洪洞反弧末端掺气坎后空腔段水流动水压强小、水流空化数低，容易出现空化；同时，反弧段下游水流表面自掺气尚不够充分，底部强迫掺气尚未充分扩散，致使反弧段下游附近边墙存在较大范围的掺气盲区，从而容易导致反弧段下游边墙的空蚀破坏。     

前置掺气坎高度对阶梯溢流坝水力特性的影响

将掺气坎设置于阶梯溢流坝闸墩出口处,有利于阶梯掺气,避免阶梯空蚀空化。通过1∶25模型试验,在宽尾墩阶梯溢流坝上设置不同体形的前置掺气坎,研究了掺气坎高度变化对坎后有效空腔长度、空腔最大高度、下游坝面掺气浓度沿程分布、水舌冲击力大小的影响,并与未设掺气坎体形时对应的水力学参数进行了对比分析。结果表明:与未设掺气坎相比,增设掺气坎后阶梯沿程掺气浓度增长明显;有效空腔长度随坎高的增大而增大,空腔最大高度随坎高的增加无明显变化;随着坎高增加,水舌冲击力相应增加,对于53°的溢流坝面,坎高超过1.2 m后,水舌冲击压强将大于20×9.8 kPa。     

明渠掺气坎体型优化的数值方法

本文将流经掺气坎的水流视为二维势流,归结为拉普拉斯方程,采用有限单元法求解,确定射流轨迹、水流流速以及掺气空腔长度、空腔高度、水舌撞击角、掺气量和掺气浓度等,从而优选出可行的掺气坎体型。计算方法和相应程序得到了实验验证,可在工程设计中应用。     

明流泄洪洞掺气减蚀设施优化试验研究

通过水工常压模型试验，对高水头、大单宽流量、小底坡龙抬头式明流泄洪洞掺气坎进行了系统的试验研究及优化试验，提出了一种新型的V形掺气挑坎。该掺气坎的空腔长度沿水流的横断面方向是连续变化的，射流挑距两边长、中间短，尽管最小空腔的长度可能已小于临界值，但由于最大空腔长度仍远大于临界值，在其作用下，便可使回流退去，空腔恢复，保证一定的通气量。这对类似工程掺气设施的合理设计有十分重要的参考意义。     

跌坎型掺气槽过流的掺气特性

本文在分析实测资料的基础上，探讨了无挑角跌坎型掺气槽空腔区水舌的掺气特性，并重点研究了射流水舌的掺气超始流速，掺气层厚度，断面浓度分布以及通气量等参数的理论预测。     

水电站一坡式高流速泄洪洞掺气减蚀的研究分析

针对某高坝工程左岸泄洪洞高流速运行特点,结合模型试验进行了全隧洞掺气减蚀的研究.通过对掺气槽体型、布置位置的调整优化,达到了全程掺气的目的,在此基础上,测定了掺气槽坎上风速、掺气量以及底空腔长度.采用γ-射线法测量了掺气水流的掺气浓度,并作出了相应评价,将每道掺气槽的影响范围控制在100~110 m左右,掺气浓度随沿程的增加呈减小的趋势.     

突跌突扩掺气坎水力特性的三维数值模拟

采取VOF方法和RNG紊流模型对某工程泄洪底孔突跌突扩掺气坎的三维水流进行数值模拟研究,得到了水面线、流速、压力沿程分布、水流空化数和掺气空腔特性等水力学要素,并将部分计算结果与模型试验结果进行了对比,两者符合较好,表明采用数值模拟的方法来研究泄洪底孔突跌突扩掺气坎的复杂流场是可行的,但数值模拟方法还不能有效地预测掺气空腔的回水特性.     

侧墙掺气坎水力特性的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了侧墙掺气坎的水力特性。与试验结果对比分析表明,用紊流数学模型来模拟泄水道反弧末端侧墙掺气坎的水力特性是可行的。数值模拟表明,不论是跌坎上游侧墙贴角,还是跌坎下游侧墙突扩,当侧墙掺气坎尺寸较大时,均会出现反弧末端过坎射流落水点下游两侧水翅串顶的不利流态。其控制条件为底空腔和侧空腔的相对长度,当侧空腔长度大于底空腔长度时,较长的侧空腔就为跌落至底板的紊动水流提供了流动通道,会出现不利流态,反之,当侧空腔长度较小时,能形成较好的流态。过坎水流落水点下游的流态对跌坎上游侧墙贴角尺寸较为敏感,相对而言,对跌坎下游侧墙突扩尺寸就不那么敏感。数值模拟也证实,采用尺寸较小的侧墙掺气坎,形成较小的侧空腔,能满足进行侧掺气的同时具有较好的流场水力特性。     

泄槽底坡对掺气坎射流空腔积水的影响

通过作者建立的掺气坎射流曲线方程和掺气空腔积水方程,分析计算了泄槽底坡对跌坎型、挑坎型和挑跌坎型3种掺气坎掺气空腔积水的影响.计算结果表明,泄槽底坡对3种体型掺气坎掺气空腔积水的影响规律是一致的.随泄槽底坡增大,空腔积水减弱,最终消失;掺气坎后挑射水流与底板的冲击角随泄槽底坡增大而减小;不同体型掺气坎的临界冲击角是不一样的.研究成果可为掺气坎的设计提供参考.     

掺气坎射流出射角的修正方法

掺气坎后射流出射角受到来流水深和射流紊动扩散的影响,不等于挑坎的挑角,计算掺气空腔长度时,应该对出射角进行修正。而目前采用的考虑紊动扩散对出射角影响的修正方法存在不合理的假设。考虑到坎末水流流态为充分发展的紊流,射流边缘处于紊动能耗散区,提出了一种紊动扩散对出射角影响的修正方法。采用该方法计算的射流紊动扩散角与试验结果更吻合。对出射角修正后,结合简单的抛射体公式,就能较精确地估算掺气空腔长度。     

低Fr数流动跌坎掺气槽的水力及掺气特性

通过模型试验和理论分析，研究了低Fr数(Fr<7)流动情况下空腔积水对跌坎掺气设施水力及掺气特性的影响。建立了计算跌坎掺气设施水力及掺气特性的预测数学模型。给出了射流出射角的修正式；积水尺寸的计算式；掺气设施实际运行工况(空腔长度、空腔负压、掺气量等)的预估方法。研究表明，低Fr数流动情况下，由于重力作用显著，积水对水力及掺气特性均有显著影响。     

低弗劳德数下挑坎体型对掺气的影响试验

通过变换坎高及挑坎坡度,制作不同体型的挑坎模型,将其置于可变坡有机玻璃水槽中,研究在不同流量下坎后掺气空腔长度及回水深度的规律。试验结果表明:在其他条件不变的情况下,来流量与空腔长度成正比,挑坎高度对空腔长度的影响比挑坎坡度要大得多;流量越大,空腔回水深度越低,而空腔回水深度却随着挑坎高度的增加而增加,挑坎高度的增加与回水深度的减轻并不成正比;在试验条件下,射流水舌冲击角5.5°时已出现空腔回水,空腔回水的出现与射流水舌冲击角密切相关,但归根结底还是与来流条件、水槽底坡、掺气坎体型的确定有关。     

羊曲水电站溢洪道掺气设施的试验研究

针对羊曲水电站溢洪道掺气槽的位置、体型进行了十多个方案的试验研究和论证分析,提出的掺气坎后双圆弧底坡方案,解决了掺气坎后的回水问题及水翅问题。其具有流态好、空腔水舌稳定、掺气槽内无积水、掺气浓度较大等优点,解决了溢洪道的掺气问题,满足了设计要求,并被应用于工程设计中,可供其它工程参考。     

高拱坝表孔宽尾墩跌流水舌运动特性研究

为了探索高拱坝坝身表孔溢流采用宽尾墩堰顶收缩射流技术的可能性，在对水舌分散机理进行理论分析的基础上，对300m量级高拱坝条件下不同出流角度和不同泄流量下的宽尾墩射流水舌形态进行了实验观测．结果表明，采用跌流出口时，当跌流水舌在出口断面处于急流流态时，受断面收缩形成的冲击波的影响，跌流在出口断面沿垂向不同深度的水质点出射方向发生明显的改变，水舌在纵向明显拉开，具有良好的分散特性；当跌流的出口为缓流时，跌流水舌形成类似舌形坎的水舌流态，入塘水舌成月牙形，无论在纵向还是横向均充分拉开，使入塘水舌的分散度大大增加．     

Cavity filling water control below aerator devices

With the rapid development of high dam projects within China, the dragon-drop-tail spillway tunnel is introduced and widely used. In view of the high water head and the large flow velocity on the dragon-drop-tail section, aerator devices are usually placed for the cavitation damage control. For the device placed in its initial position, it is a serious concern to design a suitable flow regime of the cavity and to control the cavity filling water due to the large flow depth and the low Froude number through this aerator. In this study, the relationships between the geometries of the aerator device and the jet impact angle of the lower trajectory of the flow are theoretically analyzed with/without a local slope. Nine test cases with different geometries are designed, the effectiveness of the filling water control is experimentally investigated under different operation conditions, and two criteria of the local slope design are proposed. It is concluded that the cavity flow regime and the filling water can be improved if a small impact angle and some suitable geometries of the local slope are designed.     

掺气减蚀设施水力计算的改进

结合小湾工程泄洪洞模型试验进行了11种挑跌坎型和6级流量的试验观测，据此提出了特别适用于大单流量条件的射流出射角修正式，提出了射流近底流速的选取原则.与实验资料对比证明本文计算方法有足够精度。     

掺气槽上射流挟气量的数学模型

本文分析了掺气槽空腔区射流底缘气水界面上空气掺入水体过程的作用因素及受力情况，认为掺气是由于气水界面紊动涡体的脉动作用造成自由表面局部凹曲率超过临界值而发生的；建立了临界掺气流速和射流挟气量的理论表达式，它反映了影响射流掺气特性的各种因素及其相互关系，提出的射流挟气量公式得到部分原模型资料的验证，研究表明，射流挟气量受多种因素的影响，其中来流的紊动是影响掺气的重要因素，研究初步揭示出模型和原型通气